Schnapphaken und Schnappverbindungen im SLS 3D-Druck: Regeln, die die Montage überstehen

Warum SLS-Nylon für Schnappverbindungen geeignet ist

Eine Schnappverbindung funktioniert, indem ein flexibles Element während der Montage aus dem Weg gebogen wird und hinter einer Rastnase zurückfedert. Das Material muss sich dehnen, ohne zu brechen, und seine Form wiedererlangen. PA 12 macht beides ziemlich gut: Für PA 2200 gibt EOS eine Bruchdehnung von 18 % innerhalb der Schichtebene und eine Zugfestigkeit von 48 MPa an. Viele Harz- und Filamentteile sind entweder spröder oder zwischen den Schichten viel schwächer, weshalb Schnappverbindungen eine klassische Anwendung für SLS sind.

Dieselben EOS-Daten enthalten die wichtigste Warnung: Quer zu den Schichten sinkt die Bruchdehnung auf 4 % und die Zugfestigkeit auf 42 MPa. Ein Clip, der sich quer zu den Schichten biegt, kann bei einem Bruchteil der Durchbiegung versagen, die er in der Schichtebene übersteht.

Arten von Schnappverbindungen

Biegebalken-Schnappverbindungen sind am häufigsten und am einfachsten zu berechnen, daher konzentriert sich der Rest dieses Leitfadens auf sie.

Die wichtigste Kennzahl: Dehnung am Fuß

Wenn sich ein Biegebalken biegt, dehnt sich das Material an seinem Fuß am stärksten. Wenn diese Dehnung das überschreitet, was das Material toleriert, reißt der Balken oder bleibt dauerhaft verbogen. Für einen geraden Balken mit konstantem rechteckigem Querschnitt lautet die klassische Schätzung aus Handbüchern für Schnappverbindungen:

Dehnung ε = 1,5 × t × y ÷ L²

• t = Dicke des Balkens am Fuß, in Biegerichtung
• y = erforderliche Durchbiegung, um die Rastnase freizugeben (die Hakentiefe)
• L = Länge des Balkens vom Fuß bis zum Haken

Die Formel zeigt die Hebel, die Sie haben: Die Dehnung wächst mit der Dicke und der Durchbiegung und fällt mit dem Quadrat der Länge. Eine Verdopplung der Länge reduziert die Dehnung auf ein Viertel.

Wie viel Dehnung ist akzeptabel?

Die Bruchdehnung ist der Grenzwert, bei dem ein Prüfstab bricht, kein Auslegungswert. Es ist gängige Praxis, bei einem Bruchteil davon zu bleiben, und noch niedriger bei Clips, die oft einrasten. Halten Sie die berechnete Dehnung deutlich unter den 18 %, die EOS für die Schichtebene angibt, und denken Sie daran, dass scharfe Ecken, die Pulveroberfläche und die Schichtrichtung den tatsächlichen Spielraum verringern. Die einzige zuverlässige Antwort für einen bestimmten Clip ist ein Testteil: Mit einem Sofortpreis kostet das Drucken von zwei oder drei Varianten eines Clips nur wenig.

Konstruktionsregeln für freitragende Schnappverbindungen

• Runden Sie die Wurzel ab. Eine scharfe Innenecke konzentriert die Spannung und ist die Stelle, an der die meisten Clips brechen. Eine Abrundung an der Wurzel, etwa in der halben Dicke des Balkens, macht einen großen Unterschied.
• Verjüngen Sie den Balken. Ein Balken, der zum Haken hin dünner wird, verteilt die Dehnung gleichmäßiger; eine Verjüngung der Dicke auf etwa die Hälfte an der Spitze senkt die Dehnung an der Wurzel bei gleicher Durchbiegung spürbar.
• Machen Sie ihn länger, nicht dünner. Die Länge reduziert die Dehnung im Quadrat, die Dicke nur linear. Ein Balken, der dünner als etwa 1 mm ist, ist beim Auspacken und Strahlen zerbrechlich.
• Wählen Sie die Hakenwinkel. Eine Einführschräge von etwa 30° erleichtert die Montage. Eine Haltefläche von 90° ergibt eine dauerhafte Verbindung; ein Winkel von etwa 45° ermöglicht es, die Teile wieder voneinander zu trennen.
• Berücksichtigen Sie Toleranzen. Die allgemeine Toleranz von ±0,3 %, mit einer Untergrenze von ±0,3 mm, gilt für Haken und Rastung. Konstruieren Sie die Rastung so, dass die Verbindung am unteren Ende der Hakentiefe noch hält und sich am oberen Ende noch montieren lässt. Siehe SLS-Toleranzen und -Spaltmaße.
• Lassen Sie Raum zum Biegen. Der Biegebalken benötigt dahinter einen Freiraum, der mindestens so groß ist wie die Hakentiefe, zuzüglich Spielraum. Ohne diesen wird der Balken an der Wurzel in eine stärkere Biegung gezwungen.
• Fügen Sie einen Anschlag hinzu. Eine Rippe, die begrenzt, wie weit sich der Balken biegen kann, schützt ihn vor Überdehnung, wenn jemand zu fest drückt.
• Verlassen Sie sich bei der Belastung nicht auf den Clip. Schnappverbindungen positionieren und halten Teile. Übertragen Sie große Kräfte durch Rippen, Stifte oder Vorsprünge und lassen Sie den Clip die Teile nur zusammenhalten.

Ausrichtung: die entscheidende Regel

Da die Bruchdehnung in der Schichtebene 18 % und quer zu den Schichten 4 % beträgt, muss sich der Balken innerhalb der Schichtebene biegen. In der Praxis: Die Länge des Balkens und seine Biegerichtung sollten beide horizontal im Drucker liegen. Ein Clip, der aufrecht steht und sich quer zu den Schichten biegt, funktioniert nur bei sehr kleinen Auslenkungen.

Im Rechner können Sie die Schichtebene pro Teil festlegen (XY, XZ oder YZ). Wählen Sie die Ebene, in der sich Ihre Clips biegen, und wenn ein Teil Clips in mehrere Richtungen hat, erwägen Sie, die Clips als separate Teile zu fertigen, oder erwähnen Sie dies, wenn Sie die Bestellung absenden.

Ringförmige und Torsions-Schnappverbindungen

Ringförmige Schnappverbindungen, wie eine Kappe, die über einen Wulst springt, dehnen den gesamten Umfang auf einmal. Die Verformung wird vom gesamten Ring geteilt, aber der Ring kann sich nicht wegbiegen, daher muss der Wulst flach und die Wände flexibel sein. Schlitze im Ring verwandeln ihn in mehrere kurze Biegebalken und erleichtern die Montage erheblich.

Torsions-Schnappverbindungen verdrehen einen Hebel um eine kurze Welle. Die Scherspannung in der Welle ist das, was sie begrenzt; eine längere Welle verteilt sie. Beide Typen folgen den gleichen Prinzipien: großzügige Verrundungen, ein Testteil und Beachtung der Ausrichtung.

Nachbearbeitung, Färben und wiederholte Verwendung

Alle unsere Teile werden glasperlengestrahlt und in einer DyeMansion Powershot DUAL poliert. Laut DyeMansion verdichtet diese Oberflächenbehandlung die Oberfläche, anstatt Material abzutragen, sodass die Hakengeometrie erhalten bleibt; Kanten werden leicht abgerundet, was das Einführen reibungsloser macht. TCN-Flüssigfarben färben die Oberflächenschicht, ohne eine Beschichtung hinzuzufügen, sodass ein gefärbter Clip die gleichen Abmessungen wie ein weißer hat.

Nylon entspannt sich langsam unter konstanter Belastung. Ein Clip, der dauerhaft gebogen ist, zum Beispiel ein vorgespannter Riegel, verliert im Laufe der Zeit einen Teil seiner Kraft. Konstruieren Sie Clips so, dass sie nach der Montage in ihre unbelastete Form zurückkehren.

Checkliste

• Berechnete Dehnung an der Wurzel weit unter der Bruchdehnung, geringer für häufig verwendete Clips.
• Rundung an der Wurzel, etwa die Hälfte der Balkendicke.
• Balken biegt sich in der Schichtebene.
• Balkendicke mindestens etwa 1 mm; eher lang als dünn.
• Einführfläche etwa 30°, Haltefläche für permanente oder lösbare Verbindung gewählt.
• Toleranz von ±0,3 mm an Haken und Rastung berücksichtigt.
• Freiraum und ein Anschlag hinter dem Balken.
• Testteil vor der Serie gedruckt.

Schnappverbindungen sind ein Teil des Gehäusedesigns; die SLS-Konstruktionsrichtlinien behandeln Wände, Löcher und Entpulverungsöffnungen, und Gewinde und Schmelzeinsätze behandeln Schraubverbindungen. Materialdaten finden Sie im PA12-Nylon-Leitfaden. Für eine Verbindung, die viele Zyklen oder hohe Belastungen überstehen muss, können die Spezialisten von prototype.builders die Konstruktionsabsicht überprüfen und Testvarianten mit Ihnen testen.

Laden Sie die Teile in den sofortigen SLS-Rechner hoch, um zu sehen, was die Testvarianten kosten.

Häufig gestellte Fragen

Kann SLS-Nylon für Schnappverbindungen verwendet werden?

Ja. Lasergesintertes PA 12 ist zäh und dehnt sich, bevor es bricht; für PA 2200 gibt EOS eine Bruchdehnung von 18 % in der Schichtebene an. Das macht es zu einem der besten 3D-Druckmaterialien für Schnappverbindungen.

Wie berechne ich eine Schnappverbindung für den 3D-Druck?

Für einen geraden Biegebalken mit konstantem rechteckigem Querschnitt beträgt die Dehnung an der Wurzel etwa 1,5 x Dicke x Durchbiegung geteilt durch die Länge im Quadrat. Halten Sie diese Dehnung weit unter der Bruchdehnung des Materials und bestätigen Sie dies mit einem Testteil.

Warum ist meine 3D-gedruckte Schnappverbindung gebrochen?

Die häufigsten Ursachen sind eine scharfe Kante an der Wurzel, ein Biegebalken, der für die Durchbiegung zu kurz oder zu dick ist, und ein Balken, der sich quer zu den Schichten biegt, wo sich PA 2200 vor dem Bruch nur um 4 % statt um 18 % dehnt.

Welche Ausrichtung ist am besten für Schnappverbindungen im SLS?

Der Balken sollte sich innerhalb der Schichtebene biegen, wobei seine Länge und Biegerichtung im Drucker horizontal verlaufen. Sie können die Schichtebene pro Bauteil im Kalkulator auswählen.

Verändern Strahlen oder Färben eine Schnappverbindung?

Kaum. Laut DyeMansion verdichten das Strahlen und Polieren die Oberfläche eher, als dass sie Material abtragen, und TCN-Farben färben die Oberflächenschicht ohne eine Beschichtung. Kanten werden leicht abgerundet.

Wie oft kann eine SLS-Schnappverbindung montiert werden?

Das hängt von der Dehnung im Balken ab. Ein Clip, der mit einer geringen Wurzeldehnung, einer Rundung und der richtigen Ausrichtung konstruiert wurde, kann viele Male einschnappen; ein Clip nahe seiner Dehnungsgrenze überlebt möglicherweise nur wenige Male. Testen Sie das tatsächliche Design.